探索ADP1621評(píng)估板：從設(shè)計(jì)到應(yīng)用的深度解析

在電子工程師的日常工作中，一款性能優(yōu)良的評(píng)估板對(duì)于電路設(shè)計(jì)和測(cè)試至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討一下ANALOG DEVICES的ADP1621評(píng)估板，看看它在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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評(píng)估板概述

ADP1621評(píng)估板主要用于評(píng)估ADP1621這款固定頻率、脈沖寬度調(diào)制（PWM）、電流模式的升壓轉(zhuǎn)換器控制器。該評(píng)估板的輸入范圍為3.0 V至3.6 V，輸出電壓為5 V，最大負(fù)載電流可達(dá)2 A。其采用自舉配置設(shè)計(jì)，開關(guān)頻率通過一個(gè)36 kΩ的電阻設(shè)置為600 kHz。

關(guān)鍵組件選擇

占空比計(jì)算

占空比是開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，計(jì)算公式為(D=frac{V{OUT }+V{D}-V{I N}}{V{OUT }+V{D}})。在輸入電壓(V{IN}=3.3 V)，輸出電壓(V{OUT }=5 V)，假設(shè)二極管正向壓降(V{D})約為0.5 V時(shí)，計(jì)算得出占空比約為40%。

反饋電阻

反饋電阻用于設(shè)置輸出電壓，公式為(V{OUT }=1.215 V timesleft(1+frac{R1}{R2}right))。當(dāng)(V{OUT }=5 V)且(R2 = 5.6 kΩ)時(shí)，計(jì)算可得(R1)為17.4 kΩ。

電感選擇

電感的選擇需要考慮平均電感電流和紋波電流。平均電感電流(I{L, A V E}=frac{I{L O A D}}{1 - D})，在負(fù)載電流(I{LOAD}=2 A)，占空比(D = 0.4)時(shí)，(I{L, A V E})計(jì)算為3.33 A。為了減小電感尺寸和輸出電容，開關(guān)頻率設(shè)置為600 kHz。通過公式(L=frac{V{I N} × D times(1 - D)}{0.3 × f{S W} × I_{L O A D, M A X}})計(jì)算得出電感值為2.2 μH，實(shí)際選擇了2.5 μH的電感，同時(shí)要確保所選電感能夠承受3.33 A的平均直流電流和至少4 A的峰值電流。

輸入電容

輸入電容選擇了47 μF、6.3 V的Murata GRM31CR60J476M陶瓷電容，因?yàn)樘沾呻娙菥哂蟹浅５偷腅SR（幾mΩ）。如果負(fù)載電流大于2 A，則需要更大的輸入電容來降低輸入紋波電流。

輸出電容

輸出電容的選擇需要考慮輸出電壓紋波。通過設(shè)置輸出電壓紋波為輸出電壓的1%（50 mV），使用ESR為2 mΩ和ESL為100 nH的參數(shù)，計(jì)算得出最小所需的(C_{OUT})為20 μF。評(píng)估板選擇了四個(gè)10 μF/16 V（尺寸1210）的陶瓷電容。

二極管

二極管在MOSFET關(guān)斷時(shí)將電感電流傳導(dǎo)至輸出電容和負(fù)載。平均二極管電流等于負(fù)載電流，在2 A負(fù)載下，計(jì)算得出二極管的均方根電流(I_{D I O D E, R M S})為2.6 A，選擇了Vishay SSA33L的SMA封裝二極管。

MOSFET

MOSFET的選擇基于閾值電壓(V{T})、導(dǎo)通電阻(R{DSON})、最大電壓和電流額定值以及柵極電荷等參數(shù)。在負(fù)載電流(I{LOAD}=2 A)，占空比(D = 0.4)時(shí)，計(jì)算得出MOSFET的均方根電流(I{RMS,MOSFET })為2.1 A。選擇了IRF7470這款40 V的n溝道功率MOSFET，它具有低(R_{DSON})和柵極電荷。

環(huán)路補(bǔ)償

環(huán)路補(bǔ)償對(duì)于穩(wěn)定調(diào)節(jié)器至關(guān)重要。右半平面（RHP）零頻率的計(jì)算公式為(f{Z, R H P}=(1 - D)^{2} × frac{R{L O A D}}{2 pi × L})，在(V{OUT }=5 V)，2 A負(fù)載下，計(jì)算得出(f{Z, RHP})為57.3 kHz。為了穩(wěn)定調(diào)節(jié)器，確保調(diào)節(jié)器的交叉頻率(f{C}) ≤ 1/5的RHP零頻率且 ≤ 1/15的開關(guān)頻率。最終計(jì)算得出(f{C})為40 kHz，環(huán)路補(bǔ)償組件(R{COMP}=33 kΩ)和(C{COMP}=490 pF)。

斜率補(bǔ)償

斜率補(bǔ)償電阻(R{S}=142 Ω)，通過公式(R{S}>frac{R{CS} timesleft(V{OUT }+V{D}-V{I N}right) timesleft(1 - t{OFF, MIN } × f{S W}right)}{2 × I{S C, P K} × f{S W} × L})計(jì)算得出。

電流限制

ADP1621的電流限制通過COMP電壓鉗位來限制峰值電感電流。峰值電感電流(I{L, PK})和最大負(fù)載電流(I{LOAD, MAX})都有相應(yīng)的計(jì)算公式。對(duì)于該評(píng)估板，計(jì)算得出電流限制(I_{LOAD, MAX})約為4 A，但由于二極管SSA33L的額定電流限制，評(píng)估板的最大負(fù)載電流設(shè)計(jì)為2 A。

測(cè)試波形分析

評(píng)估板提供了多種測(cè)試波形，包括效率與負(fù)載電流的關(guān)系、不同負(fù)載下的輸出電壓紋波、電感電流和漏極電壓波形等。通過這些波形可以直觀地了解評(píng)估板在不同負(fù)載條件下的性能表現(xiàn)。

PCB布局指南

PCB布局對(duì)于開關(guān)調(diào)節(jié)器的性能至關(guān)重要。良好的布局可以提高效率、改善調(diào)節(jié)性能和穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，需要遵循以下準(zhǔn)則：

1. 保持低ESR輸入電容(C_{IN})靠近IN、PIN和PGND。
2. 盡可能縮短高電流路徑，減少寄生電感。
3. 盡量縮短高電流跡線的長(zhǎng)度并增加寬度，以降低寄生電感和電磁干擾（EMI）。
4. 將反饋電阻盡可能靠近FB引腳，防止高頻開關(guān)噪聲注入。
5. 確保MOSFET的漏極靠近電感，源極直接連接到電源GND平面。
6. 最小化GATE引腳與MOSFET柵極之間的PCB跡線長(zhǎng)度，可適當(dāng)增加電阻來減少過沖和振鈴。

其他配置

評(píng)估板可以很容易地進(jìn)行修改，以適應(yīng)不同的輸入電壓和輸出電壓選項(xiàng)。例如，對(duì)于非自舉配置，可以將RA9設(shè)置為0 Ω并移除RB9；對(duì)于輸入電壓高于6 V的情況，可以使用NPN晶體管Q1和R7組成LDO來降低輸入電壓；對(duì)于輸出電壓高于28 V的情況，需要將CS引腳連接到電流 sense電阻R11。

總結(jié)

ADP1621評(píng)估板為工程師提供了一個(gè)方便的平臺(tái)來評(píng)估ADP1621控制器的性能。通過合理選擇組件、優(yōu)化PCB布局和進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的升壓轉(zhuǎn)換。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體需求對(duì)評(píng)估板進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以滿足不同的設(shè)計(jì)要求。你在使用類似評(píng)估板的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。